场地地下水源热泵系统抽灌实验及数值模拟研究

2015-12-15 06:54余期冲祝晓彬吴吉春吴剑锋
地下水 2015年3期
关键词:井距运移渗透系数

余期冲,祝晓彬,吴吉春,吴剑锋,杨 仪

(1.南京大学地球科学与工程学院/表生地球化学教育部重点实验室,江苏 南京 210023;2.江苏省地质工程勘察院,江苏 南京211102)

随着人类社会的快速发展,能源需求越来越大,化石能源的燃烧会排放大量的CO2进入大气层,导致全球气候变暖,环境问题日益严重[1-2],因此节能减排势在必行。浅层地温能作为一种可再生、清洁、开发利用投资小的新能源,将有效缓解能源和环境日趋紧张的矛盾[3-4]。

浅层地温能中地下水温度不易受环境影响、常年稳定,地下水源热泵将地下水作为热源或‘冷源’,冬季制暖、夏季制冷。为避免环境地质问题,提高浅层地温能利用效率同时实现水资源可持续利用,地下水源热泵系统应采用“抽-灌循环运行”[5]。通常地下水源热泵系统运行频繁、场地面积有限,回灌冷、热水影响天然地下水温度场,地下水源热泵技术关键在地下部分[6]。群井抽-灌条件下,完整运行周期内地下水热量运移规律的研究是热泵系统良好运行的前提保障。

诸多学者对含水层储能、地热开发等领域含水介质地下水热量运移问题进行了相关探讨,如Chen等[7]给出了一个被厚度有限的隔水层覆盖的承压含水层进行储能时温度分布的解析解;Huyakorn等[8]给出了多孔介质中能量运移非稳定流的一般表达式;Pizzi[9]和 Brandi[10]等建立了天津市地下热水流动准三维数学模型;薛禹群等[11-15]依次建立包含强迫对流、热弥散、自然对流和水-岩热交换等作用的稳定流及非稳定流模型,讨论了各因素对地下水热量运移迁移过程的影响。近年来,王慧玲[16]讨论了理想条件下区域流场作用对地下水流场和温度场的影响,周彦章等[17]研究了地下水热量运移阶段性特征。

在前人研究基础上,本文结合长江边一在建商用浅层地温能群井(1#-12#)抽灌系统和长时间抽灌试验,构建场地水文地质概念模型基础上,利用水热耦合模型进行场地地下水流场和温度场模拟,通过模拟结果与实际观测数据的对比验证了所建模型,进而利用验证后的模型模拟不同抽灌模式对温度场的影响,研究确定了合理的抽灌井距,并分析了渗透系数、热弥散度、抽灌水量和回灌水温差对合理井距的影响,可为其它场地浅层地温能的合理开发提供借鉴。

1 抽灌试验

1.1 场区概况

研究区地下水源热泵系统位于长江边的南通市开发区,地形平坦,地面高程3~4 m,属于现代淤积平原。场地区域内覆盖一薄层填土,下部为全新世,厚度40~60 m,以泥质粉质粉土、粉砂、粉质粘土与粉细砂为主,为区内弱透水层;上更新世厚度一般为70~80 m,局部地段50~60 m,岩性以含砾中粗砂、砂砾石、中细砂夹少量粉质粘土薄层为主,属于河流相沉积,为区内第Ⅰ承压含水层组,富水性好,透水性强,水位埋深2.5~4 m,出水量大、易于回灌,是热泵系统理想的抽灌层位;中更新世埋深在120~130 m,厚60~70 m,岩性为粉质粘土、粘土,致密、坚硬可塑,为区内弱透水层。

1.2 试验结果

区内共设计有12个抽、灌井(见图1),试验阶段选取其中4个抽、灌井,运行方案为1抽3灌(7#为抽水井,6#、8#、9#为回灌井),抽水量为2 400 m3/d,水量100%循环回灌,每个回灌井回灌量均为800 m3/d,在7号抽水井至8号灌水井之间布置了3个观测井(1#、2#、3#监测井),其余水井暂时不用。试验时间从2月持续到8月底,分为“抽-灌运行”和“停运蓄存”两阶段。依次为冬季抽-灌运行期(2月20日-4月30日),春季停运蓄存期(5月1日-7月19日),夏季抽-灌运行期(7月20日-8月15日),秋季停运蓄存期(8月16日-8月31日),各观测井试验阶段观测温度值见图2。

图1 研究区抽灌井分布示意图

2 概念模型与数学模型

2.1 概念模型

根据场区井的试验观测数据和实际水文地质条件,模拟计算区平面上以工程场地为中心,向四周扩展1 km。垂向上岩土层厚度为136 m,地面下0~66 m(标高3~-63 m)为弱透水层;地面下66~116 m(标高-63~-113 m)为承压含水层,其中热泵系统所有抽、灌井过滤器长度为20 m,过滤器顶底分别位于地面下76~96 m,为承压非完整井;地面下116~136 m(标高-113~-133 m)为弱透水层。将整个研究区模型概化为三维承压非稳定流。模拟计算区各层初始水位标高一致,均为0.1 m;初始地下水温度也一致,均为20℃。承压含水层四周边界为定水头(0.1 m)边界,定温度(20℃)边界,回灌井处设为给定温度的一类边界,顶、底部边界设为第二类(零通量)边界。

2.2 数学模型

地下水源热泵系统的地下水流数学模型[18]可表示为:

式中:Ki,j为渗透系数;H为水头;ω为源汇项;Ss为储水系数;t为时间;H0为初始水头;Γ2为已知水头边界;φ1为已知水头边界上的水头值;Γ2为已知流量边界;n为边界Γ2的外法线方向;q为已知流量边界上单位面积侧向补给量。

对于热量运移的数学模型[17],可表示如下:

式中:Di,j为水动力热弥散张量;T为温度;vi为达西速度矢量;ρw,Cw分别为地下水的密度和比热容;ρs,Cs分别为地下介质骨架的密度和比热容;QT为热量的源汇项;θ为孔隙度;T0为初始温度;T1为第一类边界Γ1上的温度;Twi为井壁 Γwi上的温度。

3 数值模拟

采用Feflow软件对场地水热耦合模型进行求解。利用研究场地试验阶段观测孔各时段温度观测数据验证模型,各时段温度拟合结果见图2。从图中可以发现实测值与模拟计算值拟合效果总体较好。温度变化趋势总体一致,仅在个别观测孔出现一些差异,分析可能是由于介质非均质性导致。诸观测孔各时段的温度绝对误差均值为0.38℃,平均相对误差率为2.00%,与薛禹群等人上海储能模型结果对比[12](绝对误差均值为0.65℃,平均相对误差率为3.43%),说明本场地模型模拟结果良好。

4 模拟预测

模型经验证后,用于模拟场地地温能实际开采中不同抽灌模式下温度场分布特征,分别为正常抽灌和季节性交替抽灌,研究不同抽灌方式、不同井距对地温能利用效率的影响。为了进一步分析影响不同场地合理井距的因素,有利于指导其它场地地温能开发,研究了渗透系数、热弥散度、抽灌水量和回灌水温差等因素对合理井距的影响。

图2 2月20日至8月31日温度拟合曲线图回灌模拟计算

4.1 正常抽灌

研究场地拟运行的正常抽灌是指在一个完整的运行周期内,抽、灌井不互换。模拟设计单井抽水量为2 400 m3/d,水量100%循环回灌;据前期试验结果,发现研究区含水层回灌能力较好,设计单井回灌流量为1 200 m3/d,采用4抽8注,初始水温为20℃,冬季回灌水温为12℃(日均单井热负荷为1 200 m3×8℃),夏季回灌水温为28℃(日均单井热负荷为1 200 m3×8℃)。地下水源热泵系统一个完整运行周期为1年,划分为“抽-灌运行”和“停运蓄存”两个阶段,共四个时期,依次为冬季抽-灌运行期(12月-3月)、春季停运蓄存期(4月-5月)、夏季抽-灌运行期(6月-9月)、秋季停运蓄存期(10月-11月)。

图3 完整运行周期不同时刻抽-灌井温度场

冬季运行4个月,即第一个抽灌运行阶段,出现明显的“热贯通”现象(见图3a,b),远超出热泵系统允许的2℃变幅;该阶段各监测点及抽水井处温度变化呈典型的“对流-弥散”穿透曲线特征(见图4),距回灌井越近,温度下降越快,趋势越明显。春季停运2个月,即第一个停运蓄存阶段,热量影响范围变化很小,扩散幅度也很小(见图3c),各监测点及抽灌井处温度呈缓慢上升趋势(见图4)。夏季运行4个月,即第二个抽灌运行阶段,早期形成的低温场仍继续向外扩散(见图3d),但在回灌井附近、原冷水中心处形成高温体,到夏季抽灌运行结束时,冷水体通过热交换作用后也达到较高温度(见图3e),和冬季类似的“热贯通”现象也有发生,距回灌井越近,温度上升越快,升幅越大(见图4)。秋季停运2个月,即第2个停运蓄存阶段,原冷水体向外扩散微弱(见图3f),但在回灌井附近受冷热水温度梯度较大,热交换显著,回灌井处温度下降显著(见图4)。

图4 运行周期内抽-灌井及各观测井温度变化曲线

4.2 季节性交替抽灌

地下水源热泵系统在上述运行模式下,冬季末抽水井出水温度受到回灌井冷水影响,降低了热泵系统的工作效率;而夏季运行循环热水仍通过冬季回灌井来回灌,与冬季回灌后的冷水体交换热量,造成热能和“冷能”的双重浪费。为避免这种浪费,冬季运行完后,夏季运行时可采用抽灌井互换的运行方式,即冬季的抽水井换为夏季的回灌井,冬季的回灌井换为夏季的抽水井,即8抽4注,抽水井抽水量原来的单井2 400 m3/d转变为单井1 200 m3/d,回灌井回灌量由原来的单井1 200 m3/d变为单井2 400 m3/d,其余条件保持不变。

夏季交替抽、灌运行模式中前段的冬季运行期和春季停运期和正常抽灌运行方式的结果一致,因此不再展示。夏季交替抽、灌后,由图5可以看到在运行初期抽水井处的温度较正常抽、灌运行方式抽水井低,这主要是原回灌井温度低,低温水逐渐被抽水井(原回灌井)抽出,冷源被充分利用,回灌井处(原抽水井)温度上升,同时也逐渐向抽水井运移。通过对比两种不同抽灌条件下抽水井处温度发现,夏季抽、灌井互换运行比正常运行效果要好(见图6),但是并不能彻底解决“热贯通”现象的发生,分析主要原因是场地的抽灌井距(30 m)偏小,因此为保障热泵系统的有效运行,确定合理井距十分必要,同时对影响合理井距的因素进行分析,为今后不同场地浅层地温能开发起指导作用。

图5 夏季抽、灌井互换后夏季运行和秋季停运结束时抽-灌井温度场

4.3 合理井距的确定

为保证地下水源热泵系统的开发利用效率,合理的抽灌井距的布置十分重要,合理井距可以防止地下水源热泵系统运行过程中发生“热贯通”现象,从而提高其利用效率,同时可以指导设计部门合理布置钻孔,以免造成资源浪费。模型初期假定抽、灌井足够远,回灌井对抽水井处没有影响,然后根据回灌井对抽水井的影响情况逐步缩小抽、灌井间距,同时在抽、灌井中间布置一系列的观测点,观察不同位置处温度的变化情况,来确定回灌井所能够影响到的范围,其影响范围的大小就是合理井距。本文合理井距的确定采用正常抽灌模式,模型当中各参数与4.1节一致。

图6 抽、灌井互换夏季运行至秋季停运各观测井温度变化曲线

图7 井距90 m下抽-灌井及各观测点温度变化曲线

图7显示了地下水源热泵系统一个完整的运行周期内回灌井对抽水井的影响过程,并且显示抽水井至回灌井之间的一系列观测点温度变化特征。冬季运行期,抽水井处在整个冬季运行期间无影响;距回灌井70 m处,温度变化在1℃以内;距回灌井50 m处,温度变化在2℃以内,回灌井对这个区间的影响是较小的;而在距回灌井40 m处,温度变化明显,下降幅度超过3℃。春季停运期,各点温度均小幅回升。夏季抽-灌运行期,在抽水井附近的点温度先下降后上升,这是由于冬季回灌入含水层的冷水开始向抽水井运移。抽水井处温度略低于20℃,这对于夏季取“冷能”是有利的;距回灌井70 m处,温度未超过20℃;距回灌井50 m处温度较20℃升高了0.7℃,不如冬季变化明显,这主要是冬季存储在含水层的冷水与热水产生热交换,使得回灌的热水温度下降;而距回灌井40 m处,较20℃高出2℃以上,虽然较冬季运行期变幅减小,但相对50 m仍然偏大,而且可以看到在距回灌井40~50 m处有明显的变化特征。考虑到热泵系统能够允许2℃以内的温度变幅,所以确定合理井距为50 m。

影响合理井距的因素众多,主要有含水层的水文地质参数、热物性参数以及热负荷值;其中热负荷值等于抽灌水量和回灌水温差的乘积。因此本文选择渗透系数K、热弥散度α、抽灌水量Q以及回灌水温差T四个参数,分析其改变对合理井距的影响程度,考虑实际条件,参数取值范围分别为6~125 m/d、2 ~35 m、1 200 ~3 600 m3/d、4℃ ~12℃ 。

图8横纵坐标分别表示为各参数和合理井距的变化幅度,从图中可以看出对合理井距影响最大的是抽灌水量,其次为回灌水温差,与合理井距呈线性递增关系,抽灌水量和回灌水温差参数都属于热泵系统中热负荷值对合理井距的影响,热负荷值较低时,抽灌水量和回灌水温差对合理井距的影响一致,热负荷值较高时,抽灌水量对合理井距的影响大于回灌水温差,因此,当设计较大的热负荷值时,选择增加回灌水温差更有效。热弥散度与合理井距也呈线性递增关系,原因是热弥散度越大有利于温度的扩散,从而导致合理井距的增加。渗透系数对合理井距的影响很小,因为在热量运移模型中对流项主要受流速的控制。流速等于渗透系数和水力坡度的乘积,渗透系数越大,回灌压力越小,水力坡度越小,造成流速变化小;渗透系数越小,回灌压力越大,水力坡度越大,流速变化也很小,因此渗透系数对合理井距的影响很小。

图8 合理井距随各参数变化规律

5 结语

基于长江边一处地下水源热泵系统场地的长时间抽灌试验和水热耦合模拟相关研究表明,

(1)本场地水热耦合模型模拟计算得到的温度数据和实际试验段监测数据拟合较好,诸观测孔各时段的温度绝对误差均值为0.38℃,平均相对误差率为2.00%,模型能较好反应场地的水热运移规律;

(2)模型预测表明本研究区按照预定设计的流量和热负荷运行,在一个完整运行周期内,季节性交替抽灌结果优于正常抽灌,但两种抽灌模式都难以避免“热贯通”现象的发生,分析主要原因是抽灌井距(30 m)偏小;研究结果确定场地合理井距为50 m。

(3)合理井距可以防止地下水源热泵系统运行过程中发生“热贯通”现象,从而提高其利用效率。本文对影响井距的渗透系数、热弥散度、抽灌水量以及回灌水温差研究表明,影响主要因素是抽灌水量、回灌水温差。

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